光模塊（Optical Modules）作為光纖通信中的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)傳輸過(guò)程中光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換功能的光電子器件。
光模塊工作在OSI模型的物理層，是光纖通信系統(tǒng)中的核心器件之一。它主要由光電子器件（光發(fā)射器、光接收器）、功能電路和光接口等部分組成，主要作用就是實(shí)現(xiàn)光纖通信中的光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換功能。光模塊的工作原理如圖 光模塊工作原理圖所示。
發(fā)送接口輸入一定碼率的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)芯片處理后由驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器（LD）或者發(fā)光二極管（LED）發(fā)射出相應(yīng)速率的調(diào)制光信號(hào)，通過(guò)光纖傳輸后，接收接口再把光信號(hào)由光探測(cè)二極管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并經(jīng)過(guò)前置放大器后輸出相應(yīng)碼率的電信號(hào)。
光模塊的種類(lèi)多種多樣，外觀(guān)結(jié)構(gòu)也不盡相同，但是其基本組成結(jié)構(gòu)都包含以下幾部分，如圖 光模塊的外觀(guān)結(jié)構(gòu)（以SFP封裝舉例說(shuō)明）所示。
圖1-2 光模塊的外觀(guān)結(jié)構(gòu)（以SFP封裝舉例說(shuō)明）
結(jié)構(gòu) | 說(shuō)明 |
|---|---|
1．防塵帽 | 保護(hù)光纖接頭、光纖適配器、光模塊的光接口以及其他設(shè)備的端口不受外部環(huán)境污染和外力損壞。 |
2．裙片 | 用于保證光模塊和設(shè)備光接口之間良好的搭接，只在SFP封裝的光模塊上存在。 |
3．標(biāo)簽 | 用于標(biāo)識(shí)光模塊的關(guān)鍵參數(shù)及廠(chǎng)家信息等。 |
4．接頭 | 用于光模塊和單板之間的連接，傳輸信號(hào)，給光模塊供電等。 |
5．殼體 | 保護(hù)內(nèi)部元器件，主要有1*9外殼和SFP外殼兩種。 |
6．接收接口（Rx） | 光纖接收接口。 |
7．發(fā)送接口（Tx） | 光纖發(fā)送接口。 |
8．拉手扣 | 用于拔插光模塊，且為了辨認(rèn)方便，不同波段所對(duì)應(yīng)的拉手扣的顏色也是不一樣的。 |
如何衡量光模塊的性能指標(biāo)呢？我們可以從以下幾個(gè)方面來(lái)讀懂光模塊的性能指標(biāo)。
平均發(fā)射光功率
平均發(fā)射光功率是指光模塊在正常工作條件下發(fā)射端光源輸出的光功率，可以理解為光的強(qiáng)度。發(fā)射光功率和所發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)中“1”占的比例相關(guān)，“1”越多，光功率也越大。當(dāng)發(fā)送機(jī)發(fā)送偽隨機(jī)序列信號(hào)時(shí)，“1”和“0”大致各占一半，這時(shí)測(cè)試得到的功率就是平均發(fā)射光功率，單位為W或mW或dBm。其中W或mW為線(xiàn)性單位，dBm為對(duì)數(shù)單位。在通信中，我們通常使用dBm來(lái)表示光功率。
消光比
消光比是指全調(diào)制條件下激光器在發(fā)射全“1”碼時(shí)的平均光功率與全“0”碼時(shí)發(fā)射的平均光功率比值的最小值，單位為dB。如圖1-3所示，我們?cè)趯㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)時(shí)，是由光模塊發(fā)射部分的激光器按照輸入的電信號(hào)的碼率來(lái)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的。全“1”碼時(shí)的平均光功率即表示激光器發(fā)光的平均功率，全“0”碼時(shí)的平均光功率即表示激光器不發(fā)光的平均功率，消光比即表征0、1信號(hào)的區(qū)別能力，因此消光比可以看做一種激光器運(yùn)行效率的衡量。消光比典型的最小值范圍為8.2dB到10dB。
光信號(hào)的中心波長(zhǎng)
在發(fā)射光譜中，連接50℅最大幅度值線(xiàn)段的中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。不同種類(lèi)的激光器或同一種類(lèi)的兩個(gè)激光器，由于工藝、生產(chǎn)等原因都會(huì)有中心波長(zhǎng)的差異，即使同一激光器在不同條件下也可能會(huì)有不同的中心波長(zhǎng)。一般，光器件和光模塊的制造商，提供給用戶(hù)一個(gè)參數(shù)，即中心波長(zhǎng)（如850nm），這個(gè)參數(shù)一般會(huì)是一個(gè)范圍。目前常用的光模塊的中心波長(zhǎng)主要有三種：850nm 波段、1310nm 波段以及1550nm 波段。
為什么定義在這三個(gè)波段呢？這與光信號(hào)的傳輸介質(zhì)光纖損耗有關(guān)。通過(guò)不斷研究實(shí)驗(yàn)，人們發(fā)現(xiàn)光纖損耗通常隨波長(zhǎng)加長(zhǎng)而減小，850nm損耗較少，900 ~ 1300nm損耗又變高了；而1310nm又變低， 1550nm損耗最低，1650nm以上的損耗趨向加大。所以850nm就是所謂的短波長(zhǎng)窗口，1310nm 和1550nm就是長(zhǎng)波長(zhǎng)窗口。
過(guò)載光功率
又稱(chēng)飽和光功率，是指光模塊在一定的誤碼率（BER=10-12）條件下，接收端組件所能接收的最大輸入平均光功率。單位是dBm。
需要注意的是，光探測(cè)器在強(qiáng)光照射下會(huì)出現(xiàn)光電流飽和現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)此現(xiàn)象后，探測(cè)器需要一定的時(shí)間恢復(fù)，此時(shí)接收靈敏度下降，接收到的信號(hào)有可能出現(xiàn)誤判而造成誤碼現(xiàn)象。簡(jiǎn)單的說(shuō)，輸入光功率超過(guò)的了這個(gè)過(guò)載光功率，可能就會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害，在使用操作中應(yīng)盡量避免強(qiáng)光照射，防止超出過(guò)載光功率。
接收靈敏度
接收靈敏度是指光模塊在一定的誤碼率（BER=10-12）條件下，接收端組件所能接收的最小平均輸入光功率。如果發(fā)射光功率指的發(fā)送端的光強(qiáng)度，那么接收靈敏度指的就是光模塊可以探測(cè)到的光強(qiáng)度。單位是dBm。
一般情況下，速率越高接收靈敏度越差，即最小接收光功率越大，對(duì)于光模塊接收端器件的要求也越高。
接收光功率
接收光功率是指光模塊在一定的誤碼率（BER=10-12）條件下，接收端組件所能接收的平均光功率范圍。單位是dBm。接收光功率的上限值為過(guò)載光功率，下限值為接收靈敏度的最大值。
綜合來(lái)講，就是當(dāng)接收光功率小于接收靈敏度，可能無(wú)法正常接收信號(hào)，因?yàn)楣夤β侍趿恕．?dāng)接收光功率大于過(guò)載光功率時(shí)，可能也無(wú)法正常接收信號(hào)，因?yàn)榇嬖谡`碼現(xiàn)象。
接口速率
光器件所能承載的無(wú)誤碼傳輸?shù)淖畲箅娦盘?hào)速率，以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的有：125Mbit/s、1.25Gbit/s、10.3125Gbit/s、41.25Gbit/s。
傳輸距離
光模塊可傳輸?shù)木嚯x主要受到損耗和色散兩方面受限。損耗是光在光纖中傳輸時(shí)，由于介質(zhì)的吸收散射以及泄漏導(dǎo)致的光能量損失，這部分能量隨著傳輸距離的增加以一定的比率耗散。色散的產(chǎn)生主要是因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的電磁波在同一介質(zhì)中傳播時(shí)速度不等，從而造成光信號(hào)的不同波長(zhǎng)成分由于傳輸距離的累積而在不同的時(shí)間到達(dá)接收端，導(dǎo)致脈沖展寬，進(jìn)而無(wú)法分辨信號(hào)值。
在光模塊色散受限方面，其受限距離遠(yuǎn)大于損耗的受限距離，可以不做考慮。損耗限制可以根據(jù)公式：損耗受限距離=（發(fā)射光功率-接受靈敏度）/光纖衰減量 來(lái)估算。光纖的衰減量和實(shí)際選用的光纖強(qiáng)相關(guān)。
CloudEngine系列交換機(jī)通過(guò)display interface transceiver verbose命令可以查看指定接口光模塊的常規(guī)、制造、告警以及診斷信息，如表 display interface transceiver verbose命令輸出信息描述所示。
表1-2 display interface transceiver verbose命令輸出信息描述
項(xiàng)目 | 描述 |
|---|---|
Common information | 表示光模塊的常規(guī)信息。 |
Transceiver Type | 表示光模塊類(lèi)型。 |
Connector Type | 表示接口類(lèi)型。 |
Wavelength (nm) | 表示光波波長(zhǎng)。 |
Transfer Distance (m) | 表示光波傳輸距離。50um/125um表示光纖的直徑，OM2表示光纖的等級(jí)。 |
Digital Diagnostic Monitoring | 表示光模塊診斷信息是否監(jiān)控。 |
Vendor Name | 表示光模塊制造廠(chǎng)商名稱(chēng)。 如果顯示內(nèi)容為“HUAWEI”，表示是經(jīng)過(guò)華為數(shù)據(jù)中心交換機(jī)認(rèn)證的光模塊；其他的顯示內(nèi)容表示是非華為數(shù)據(jù)中心交換機(jī)認(rèn)證光模塊。 |
Vendor Part Number | 表示光模塊制造廠(chǎng)商編號(hào)。 |
Ordering Name | 表示光模塊對(duì)外型號(hào)。 |
Manufacture information | 表示光模塊制造信息。 |
Manu. Serial Number | 表示光模塊生產(chǎn)序列號(hào)。 |
Manufacturing Date | 表示光模塊生產(chǎn)日期。 |
Alarm information | 表示光模塊告警信息。 |
Diagnostic information | 表示光模塊診斷信息。 如果顯示為“-”，則表示該光模塊不支持獲取此信息或信息不精確。 |
Temperature (Celsius) | 表示光模塊當(dāng)前溫度。 |
Voltage(V) | 表示光模塊當(dāng)前電壓。 |
Bias Current (mA) | 表示光模塊當(dāng)前電流。說(shuō)明： 如果接口支持拆分，當(dāng)接口插入光模塊后，會(huì)顯示光模塊中每條Lane的當(dāng)前電流。 每條lane的當(dāng)前電流值均應(yīng)在Bias Low Threshold (mA)~Bias High Threshold (mA)范圍內(nèi)才能保證模塊正常工作。 |
Bias High Threshold (mA) | 表示光模塊電流上限。 |
Bias Low Threshold (mA) | 表示光模塊電流下限。 |
Current RX Power (dBm) | 表示當(dāng)前光模塊接收功率。 說(shuō)明：如果接口支持拆分，當(dāng)接口插入光模塊后，會(huì)顯示光模塊中每條Lane的當(dāng)前接收功率。 |
Default RX Power High Threshold (dBm) | 表示默認(rèn)光模塊接收功率上限。 |
Default RX Power Low Threshold (dBm) | 表示默認(rèn)光模塊接收功率下限。 |
Current TX Power (dBm) | 表示當(dāng)前光模塊發(fā)送功率。 說(shuō)明：如果接口支持拆分，當(dāng)接口插入光模塊后，會(huì)顯示光模塊中每條Lane的當(dāng)前發(fā)送功率。 |
Default TX Power High Threshold (dBm) | 表示默認(rèn)光模塊發(fā)送功率上限。 |
Default TX Power Low Threshold (dBm) | 表示默認(rèn)光模塊發(fā)送功率下限。 |
為了滿(mǎn)足各種傳輸速率的需求，產(chǎn)生了不同速率的光模塊：400GE光模塊、100GE光模塊、40GE光模塊、25GE光模塊、10GE光模塊、GE光模塊、FE光模塊等。
傳輸速率越高，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，由此產(chǎn)生了不同的封裝方式。華為交換機(jī)適用的封裝類(lèi)型有：QSFP-DD、QSFP28、QSFP+、SFP28、SFP/eSFP、SFP+、CXP、CFP等。
封裝類(lèi)型 | 基本解釋 | 外觀(guān)圖 |
|---|---|---|
SFP/eSFP光模塊 | SFP（Small Form-factor Pluggable）光模塊：小型可插拔。SFP光模塊支持LC光纖連接器。 eSFP（Enhanced Small Form-factor Pluggable）光模塊：增強(qiáng)型SFP，指的是帶電壓、溫度、偏置電流、發(fā)送光功率、接收光功率監(jiān)控功能的SFP，當(dāng)前所有的SFP都帶，所以也就把eSFP都統(tǒng)一叫SFP了。 |
|
SFP+光模塊 | SFP+（Small Form-factor Pluggable Plus）光模塊：指速率提升的SFP模塊，因?yàn)樗俾侍嵘?，所以?duì)EMI敏感，殼子上面的裙片做的多了，配對(duì)的籠子也相對(duì)縮緊了。 |
|
SFP28光模塊 | SFP28（Small Form-factor Pluggable 28）光模塊：接口封裝大小與SFP+相同，支持速率為25G的SFP28光模塊和10G的SFP+光模塊。 | |
QSFP+光模塊 | QSFP+（Quad Small Form-factor Pluggable）光模塊：四通道小型可熱插拔光模塊。QSFP+光模塊支持MPO光纖連接器，相比SFP+光模塊尺寸更大。 | |
CXP光模塊 | CXP（120 Gb/s eXtended-capability Form Factor Pluggable Module）光模塊：是一種可熱插拔的高密并行光模塊標(biāo)準(zhǔn)，在發(fā)送和接收（Tx/Rx）方向各提供12個(gè)通道，僅適用于短距離多模鏈路。 | |
CFP光模塊 | CFP（Centum Form-factor Pluggable）光模塊：長(zhǎng)×寬×高尺寸定義為144.75mm×82mm×13.6mm，是一種高速的可以熱插拔的支持?jǐn)?shù)據(jù)通信和電信傳輸兩大應(yīng)用的新型光模塊標(biāo)準(zhǔn)。 | |
QSFP28光模塊 | QSFP28（Quad Small Form-factor Pluggable 28）光模塊：接口封裝大小與QSFP+相同，支持速率為100G的QSFP28光模塊和40G的QSFP+光模塊。 | |
QSFP-DD光模塊 | QSFP-DD（(Quad Small Form Factor Pluggable-Double Density)）光模塊：雙密度四通道小型可插拔封裝光模塊，是QSFP-DD MSA小組定義的一種高速可插拔模塊。 |
光纖分為單模光纖、多模光纖。為了使用不同類(lèi)別的光纖，產(chǎn)生了單模光模塊、多模光模塊。
單模光模塊的中心波長(zhǎng)一般是1310nm、1550nm，與單模光纖配套使用。單模光纖傳輸頻帶寬，傳輸容量大，適用于長(zhǎng)距傳輸。
多模光模塊的中心波長(zhǎng)一般是850nm，與多模光纖配套使用。多模光纖有模式色散缺陷，其傳輸性能比單模光纖差，但成本低，適用于較小容量、短距傳輸。
使用長(zhǎng)距光模塊，其發(fā)送光功率一般大于過(guò)載光功率，因此需要關(guān)注光纖長(zhǎng)度，保證實(shí)際接收光功率小于過(guò)載光功率。如果光纖長(zhǎng)度較短，使用長(zhǎng)距光模塊時(shí)需要配合光纖光衰（光纖每單位長(zhǎng)度上的衰減值，單位為dB/km）使用，以避免燒壞對(duì)端光模塊。
光模塊的工作波長(zhǎng)是一個(gè)范圍，為了方便描述使用中心波長(zhǎng)這個(gè)參數(shù)，單位是納米（nm）。
為了支持光信號(hào)傳輸使用不同的光波段，產(chǎn)生了不同中心波長(zhǎng)的光模塊，比如：850nm、1310nm、1550nm的光模塊等。
彩色光模塊與其它類(lèi)型的光模塊的最大的區(qū)別是中心波長(zhǎng)不同：
一般光模塊的中心波長(zhǎng)有850nm、1310nm和1550nm三類(lèi)，中心波長(zhǎng)比較單一，我們稱(chēng)該類(lèi)光為“黑白光”或者“灰光”。
彩色光模塊承載了若干不同中心波長(zhǎng)的光，所以交集起來(lái)是五顏六色的，我們稱(chēng)該類(lèi)光為“彩光”。
彩色光模塊分為粗集波光模塊（CWDM）和密集波光模塊（DWDM）兩種。在同一波段下，密集波光模塊的種類(lèi)更多，所以密集波光模塊對(duì)波段的資源利用更充分。中心波長(zhǎng)各異的光在同一根光纖中可以互不干涉的傳輸，因此，通過(guò)無(wú)源合波器將來(lái)自多路彩色光模塊不同中心波長(zhǎng)的光合成一路進(jìn)行傳輸，遠(yuǎn)端則通過(guò)分波器根據(jù)不同的中心波長(zhǎng)將光分出多路，有效的節(jié)省了光纖線(xiàn)路。彩色光模塊主要應(yīng)用于長(zhǎng)距離的傳輸線(xiàn)路。
根據(jù)上面介紹的分類(lèi)，下面給出一些常見(jiàn)光模塊的分類(lèi)舉例：
表1-3 常見(jiàn)光模塊的分類(lèi)舉例
分類(lèi) | SFP-GE-LH40-SM1310 | SFP-10G-ER-1310 | QSFP-40G-LR4 | QSFP-100G-CWDM4 | QSFP-DD-400G-SR8 |
|---|---|---|---|---|---|
速率 | GE | 10GE | 40GE | 100GE | 400GE |
封裝類(lèi)型 | eSFP | SFP+ | QSFP+ | QSFP28 | QSFP-DD |
模式 | 單模 | 單模 | 單模 | 單模 | 多模 |
中心波長(zhǎng)（nm） | 1310 | 1310 | 1271、1291、1311、1331 | 1271、1291、1311、1331 | 850 |
顏色 | 黑白光 | 黑白光 | 黑白光 | 彩色 | 黑白光 |
了解光模塊命名規(guī)則就能讀懂廠(chǎng)商光模塊產(chǎn)品名稱(chēng)所包含的全部信息。本文以通用的命名規(guī)則進(jìn)行分解說(shuō)明。
表1-4 光模塊的命名規(guī)則
標(biāo)號(hào) | 含義 |
|---|---|
A | 表示光模塊的封裝類(lèi)型，主要有：
|
B | 表示光模塊的速率，主要有：
|
C | 表示光模塊的傳輸距離類(lèi)型，其中：
|
D | 表示光模塊的傳輸距離，單位為km。 |
E | 表示光模塊的器件類(lèi)別，其中：
|
F | 表示光模塊的中心波長(zhǎng)，單位為nm。 |
光模塊在應(yīng)用中必須有規(guī)范化的操作方法，任何不規(guī)范的動(dòng)作都可能造成隱性的損傷或者永久的失效。
光模塊失效的主要原因是ESD損傷導(dǎo)致的光模塊性能變差，以及光口污染和損傷引起的光鏈路不通。光口污染和損傷的原因主要有：
光模塊的光口暴露在環(huán)境中，光口有灰塵進(jìn)入而污染。
使用的光纖連接器端面已經(jīng)污染，光模塊的光口被二次污染。
帶尾纖的光接頭端面使用不當(dāng)，比如：端面劃傷等。
使用了劣質(zhì)的光纖連接器。
如何有效的防護(hù)光模塊失效，主要分為ESD防護(hù)和物理防護(hù)兩種。
ESD損傷是造成光器件性能變差、甚至器件光電功能喪失的一個(gè)主要問(wèn)題。另外ESD損傷的光器件不易測(cè)試篩選，若失效很難快速地定位出來(lái)。
操作說(shuō)明
光模塊在使用前的運(yùn)輸、轉(zhuǎn)移過(guò)程中，必須在防靜電包裝內(nèi)，不得隨意取出，隨意擺放。
圖1-4 模塊在防靜電包裝盒內(nèi)示意圖
圖1-5 防靜電標(biāo)識(shí)示意圖
圖1-6 模塊在防靜電袋內(nèi)示意圖
在接觸光模塊前，必須佩戴防靜電手套和防靜電手環(huán)，安裝光器件（含光模塊）時(shí)也必須做好防靜電措施。
圖1-7 防靜電手套示意圖
圖1-8 防靜電腕帶示意圖
測(cè)試設(shè)備或者應(yīng)用設(shè)備必須有良好的接地線(xiàn)。
圖1-9 設(shè)備接地示意圖
嚴(yán)禁為方便安裝，光模塊從防靜電包裝被取出隨意堆放，不做任何防護(hù)，猶如廢品回收站。
光模塊內(nèi)部激光器以及溫度控制電路（TEC）較為脆弱，收到撞擊后容易斷裂或脫落，因此在運(yùn)輸和使用過(guò)程中都應(yīng)注意物理防護(hù)。
光口沾污物用清潔棉棒輕擦即可，非專(zhuān)用清潔棒可能對(duì)光口造成損傷，清潔棉棒使用時(shí)用力過(guò)大可能導(dǎo)致棉棒中金屬劃傷陶瓷端面。
光模塊的插入和拔出設(shè)計(jì)都以人手工操作模擬，推力與拉力設(shè)計(jì)也是模擬人工操作，安裝與拆卸過(guò)程中不得使用器具類(lèi)進(jìn)行。
操作說(shuō)明
光模塊應(yīng)用時(shí)注意輕拿輕放，防止跌落；
光模塊插入時(shí)用手推入，不能使用其他金屬工具進(jìn)行；拔出時(shí)，先將拉環(huán)打開(kāi)到解鎖位置再拉拉環(huán)，不能使用其他金屬工具進(jìn)行。
圖1-10 光模塊安裝方法示意圖
光口清潔時(shí)要使用專(zhuān)用清潔棉棒，不能使用其他金屬物質(zhì)插入光口中。
圖1-11 用棉棒清潔光模塊光口
